三维混杂碳纤维_芳纶纤维增强尼龙复合材料力学性能研究.pdf

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1、三维混杂碳纤维/芳纶纤维增强尼龙复合材料力学性能研究3张宗强1 王玉林2 万怡灶2 雷 雨2 赵伟栋1(1 航天材料及工艺研究所,北京 100076)(2 天津大学材料科学与工程学院,天津 300072)文 摘 制备了三维混杂碳纤维/芳纶纤维增强尼龙复合材料(HY/PA)并对其力学性能进行了测试。研究表明:由于芳纶纤维的加入,使碳纤维增强尼龙复合材料(CF/PA)的抗冲击性能有了显著提高,HY/PA的抗冲击强度随芳纶纤维体积分数的增大而有所提高;另外,HY/PA在改善CF/PA的横向剪切强度的同时,也改善了芳纶纤维增强尼龙复合材料(KF/PA)的纵向剪切强度;同时,混杂效应对HY/PA的弯曲性

2、能的影响最为显著,HY/PA的弯曲强度、弯曲模量均高于任一种单一纤维复合材料。关键词 三维编织,混杂复合材料,碳纤维,芳纶纤维Study on Mechanical Properties of 3D2braided Carbon Fiber/kevlarFiber Hybrid CompositesZhang Zongqiang1Wang Yulin2Wan Yizao2Lei Yu2Zhao Weidong1(1Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology,Beijing100076)(2College

3、 of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin300072)Abstract3D2braided carbon fiber/Kevlar fiber hybrid composites(HY/PA)are prepared and their mechanicalproperties are studied.The results show that Kevlar fiber can prominently improve the impact properties of carbon fiberreinforc

4、ed nylon composites(CF/PA)and the impact properties of HY/PA are increased when proportion of Kevlar fiberis increased.HY/PA can improve not only the transverse shear strength of CF/PA but also the longitudinal shear strengthof KF/PA.The influence of hybrid effect on flexural properties of composite

5、s is the most distinctive.The flexural strengthand flexural modulus of HY/PA are higher than both CF/PA and KF/PA.Key words3D2braid,Hybrid composite,Carbon fiber,Kevlar fiber1 前言碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量等优点,但冲击强度低限制了它的应用范围。有几种方法可以改善碳纤维复合材料的冲击性能,包括:碳纤维的表面处理、树脂基体改性、引进厚度方向的增强(如三维编织)及与高断裂应变纤维混杂。通过将高断裂应变的芳纶纤维与低

6、断裂应变的碳纤维混杂制得混杂复合材料,一方面提高了碳纤维复合材料的冲击韧性,而且还能够进一步降低材料的质量,提高碳纤维复合材料的比强度、比模量。另外,三维编织复合材料由于异型件一次编织成型,纤维贯穿材料的三个方向形成整体网状结构;所以克服了传统复收稿日期:2003-05-20;修回日期:2003-09-233 天津市科技计划项目(重大攻关):013 111 711;天津市自然科学基金资助:013 604 211张宗强,1977年出生,研究生,主要从事树脂基复合材料的研究工作83宇航材料工艺 2004年 第1期 1994-2008 China Academic Journal Electroni

7、c Publishing House.All rights reserved.http:/合材料沿纤维横向方向刚度和强度性能较差,层间剪切强度低,易分层且冲击韧性和损伤容限低等缺点15。本文通过将碳纤维、芳纶纤维混合编织得到三维混杂织物增强尼龙(HY/PA)复合材料并对其力学性能进行了测试、研究。2 材料制备及实验方法2.1 原材料碳纤维为T300,=1.76 g/cm3,b=3.43 GPa,E=230 GPa;芳纶纤维为Kevlar49,=1.44 g/cm3,b=3.26 GPa,E=102 GPa;三维混编织物,南京玻璃纤维研究院提供;己内酰胺单体(CL),工业纯;催化剂NaOH,分析

8、纯;活化剂为甲苯二异氰酸脂(TDI),分析纯。2.2 制备工艺传统的三维编织复合材料的制备工艺是树脂传递模塑(RTM)工艺,然而RTM工艺对基体要求苛刻(如粘度,固化时间等),使三维复合材料的基体仅限于一些低粘度的热固性聚合物。因此本文采用液态原位聚合法(即利用己内酰胺单体粘度低的特点,以单体预先浸渍三维编织体,然后原位聚合)制备C3D/PA、K3D/PA及HY/PA,纤维总体积分数均为30%,编织角为16。复合材料的制备工艺:将三维混杂维编织纤维铺入模具充分预热;在三口瓶中熔融己内酰胺单体,并于120 真空脱水;加入NaOH,在一定温度下继续真空处理15 min,加入活化剂充分搅拌后即可浇入

9、模具;在恒定温度下保温30 min,冷却、脱模。2.3 力学性能测试主要对试样的弯曲强度、弯曲模量、冲击强度及剪 切 强 度 进 行 了 测 试。弯 曲 性 能 测 试 参 照G B934188,在LJ-5000拉力试验机上进行;冲击实验参照G B104379,在UT/10/40简支梁摆式冲击试验机进行,试样为无缺口小试样,跨距50 mm;剪切试验采用自制剪切模具进行,试验方法与Ket2tunen6的相似。2.4SEM分析在XL30ESEM型扫描电子显微镜下分别对C3D/PA、K3D/PA及HY/PA的冲击断口进行观察。3 结果与讨论实验分别测试了C3D/PA、K3D/PA及四种混杂比的HY/

10、PA的力学性能,所选试样如表1所示。表1 不同纤维比例的混杂复合材料Tab.1Hybrid composites with different fiber proportions材料CFKF比例CF/%(体积分数)K3D/PA-0HY/PA1#2#3#4#142332416121824C3D/PA-303.1 冲击性能图1为HY/PA的冲击强度。由图1可知,当碳纤维体积分数减少时,HY/PA的抗冲击性能有了较大改善,这是由于芳纶纤维对裂纹扩展的抑制作用与在弹性形变中的作用相对高于碳纤维,能够延缓由于碳纤维断裂引起的裂纹扩展。因此HY/PA能够有效提高C3D/PA的抗冲击强度。图1HY/PA的冲

11、击强度Fig.1The impact strength of HY/PA 为研究混杂纤维复合材料微观破坏形式,对其中两种典型材料(1#HY/PA、4#HY/PA)的冲击破坏断口形貌进行了SEM观察。由图2可以看出,碳纤维与芳纶纤维交替编织,从而能够相互协调,共同改善基体性能。由于两种纤维性能不同,因此不同混杂比的HY/PA将表现出不同的特性。图2(a)中芳纶纤维比例较高,其性能占主导地位。由于芳纶纤维性韧、耐冲击以及其特有的纤维结构使得芳纶纤维体积分数较高的HY/PA冲击强度高于芳纶纤维体积分数低的HY/PA。K3D/PA的冲击韧性比C3D/PA好,在受冲击过程中可以弯折成90 而不出现明显的

12、纤维断裂7。通过碳纤维和芳纶纤维的混杂互补,HY/PA有较好冲击93宇航材料工艺 2004年 第1期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/韧性。(a)1#HY/PA50(b)4#HY/PA50图2 混杂复合材料冲击断口扫描照片Fig.2SEM photos of impact fracturesurfaces of hybrid composites3.2 剪切性能HY/PA的剪切强度如图3所示。从图3HY/PA的剪切性能数据对比中可知,HY/PA的横向剪切

13、强度随碳纤维体积分数的增大而降低;纵向剪切强度则随碳纤维体积分数增大而增大,且在18%时出现最大值。图3HY/PA的剪切强度Fig.3The shear strength of HY/PA 这是由于芳纶纤维断裂伸长率高于碳纤维,属韧性结构。在承受复杂应力时表现出良好的性能,其横向剪切强度高于脆性的碳纤维复合材料。因此,当芳纶纤维占主要地位时HY/PA的横向剪切性能高于芳纶纤维含量较少的HY/PA;但由于芳纶纤维的皮芯结构在剪应力作用下极易被撕裂,因此其纵向剪切强度比同体积分数碳纤维复合材料相比稍低。因此碳纤维含量较高的HY/PA的纵向剪切性能高于碳纤维体积分数低的HY/PA。3.3 弯曲性能图

14、4为HY/PA及K3D/PA、C3D/PA弯曲性能曲线。由图4可知:四种混杂纤维复合材料的弯曲强度和模量均高于单一纤维增强的复合材料。混杂纤维复合材料随着碳纤维体积分数的提高,材料的弯曲强度、模量均有所提高,达到一峰值即碳纤维含量为18%后又有所下降。图4HY/PA的弯曲性能Fig.4The flexural properties of HY/PA 碳纤维的强度和模量均高于芳纶纤维,因此C3D/PA弯曲强度和模量高于K3D/PA。HY/PA内部碳纤维、芳纶纤维协调动作,共同起到增强材料强度和模量的作用。这种协调作用的结果并不是简单的数学加和,或者按照CF/KF的比例来改变材料的强度和模量,而是

15、使材料的弯曲性能有了进一步提高。这种混杂纤维复合材料的某些性能偏离混合定律的结果称为混杂效应,其中向增加的方向发展的偏离称为正效应8。三维混杂复合材料的混合定律(以x方向为例)1,9:Cx=fVfx+mVmECx=EfVfx+EmVm(1)04宇航材料工艺 2004年 第1期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/其中:f=CVC+KVKEf=ECVC+EKVK(2)式中,Cx、ECx为混杂复合材料在x向的弯曲强度、弯曲模量;Vfx为混编纤维在x向的体积分数;

16、VC、VK为混编织物中碳纤维、芳纶纤维的相对体积分数;下标f代表纤维,m代表基体,C代表碳纤维,K代表芳纶纤维。根据上述混合定律HY/PA的弯曲性能应介于K3D/PA与C3D/PA的弯曲性能之间,但由图4可知其弯曲性能高于混合定律的计算结果,即表现为正混杂效应现象。引起混杂效应的因素较多,包括组分材料结构与性能、混杂结构因素(纤维混杂比、纤维分散度与界面粘结状况)及混杂界面,其中混杂界面被认为是引起混杂效应的主要因素。混杂界面(本文中为碳纤维与芳纶纤维之间的界面)与单一纤维复合材料界面层不同,为更加不均匀过渡,并以多相、多层次方式存在使混杂纤维复合材料具有一些特异现象,呈现出不同影响的结构。为

17、研究混杂效应对HY/PA弯曲性能的影响,实验还测试了C3D/PA、K3D/PA及HY/PA的弯曲载荷 挠度曲线,见图5。由图5(a)可知,尽管1#HY/PA中碳纤维仅占总纤维体积分数的20%,但其抗弯曲能力比K3D/PA有了显著改善。同时,其弯曲曲线仍与K3D/PA相似,呈现明显的延性变形;另外,混杂复合材料弯曲曲线呈现出多级断裂形式。这是由于试样在承受载荷时,碳纤维延伸率低,所以先断裂。当碳纤维断裂后,载荷传给芳纶纤维,即碳纤维与芳纶纤维交替承受载荷或形式更为复杂。图5(b)为C3D/PA与3#HY/PA的载荷 挠度曲线。图中混杂复合材料位于C3D/PA曲线之上,尽管芳纶纤维强度低于碳纤维,

18、但3#HY/PA弯曲强度仍高于C3D/PA,这就是混杂效应产生的结果。3#HY/PA中碳纤维体积含量较大,少量芳纶纤维的加入并未彻底改变其脆性的本质,曲线达到最大载荷后即发生突然断裂,弯曲曲线与C3D/PA相似。目前对混杂复合材料的混杂效应的机理还很难作出全面而确切的解释。(a)K3D/PA与1#HY/PA的曲线(b)C3D/PA与3#HY/PA的曲线图5 复合材料的弯曲载荷 挠度曲线Fig.5Flexural load and deflectioncurves of 3D2braided composites4 结论(1)芳纶纤维的加入,使CF/PA的抗冲击性能有了显著提高,HY/PA的抗冲

19、击强度随芳纶纤维体积分数的增大而有所提高;HY/PA在改善CF/PA的横向剪切强度的同时,也改善了KF/PA的纵向剪切强度。(2)混杂效应对HY/PA的弯曲性能的影响最为显著,HY/PA的弯曲强度、弯曲模量均高于任一种单一纤维复合材料,且HY/PA的弯曲破坏呈明显的多级断裂形式。参考文献1 张佐光,宋焕成.混杂纤维复合材料.北京:北京航空航天大学出版社,1989:1842 张佐光,宋焕成.炭纤维混杂复合材料研究与应用状况.新型碳材料,1991;(3):483 张大兴,张佐光.CF/GF、CF/KF混杂纤维复合材料混杂效应实验与分析.新型碳材料,1997;12(3):46(下转第46页)14宇航

20、材料工艺 2004年 第1期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/料的性能及其影响因素将随后报道。图8Ti-Zr-Si合金硅化物转变组织,时效960 min1 600Fig.8Silicide transformation in Ti2Zr2Sialloy at 960 min of aging4 结论(1)硅锆质量比为12的Ti-Zr-Si合金,铸造组织为-Ti、晶界由块状-Ti和条状的5-3型硅化物组成。(2)Ti-Zr-Si合金经过850/480 mi

21、n的时效处理,5-3型硅化物转变为2-1型硅化物。(3)尺寸细小、分布均匀的2-1型硅化物使制备Ti/(Ti,Zr)2Si复合材料成为可能。参考文献1 张力.高技术时代的钛合金材料技术发展战略及对策剖析.金属学报,1997;33(1):852Whang S H,Lu Y Z,K im Y W.Microstructures and agehardening of rapidly quenched Ti-Zr-Si alloys.Journal of Materi2als Sciecen Letters,1985;(4):8838873Salpadour N H,Flower HM.Phase

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